Đề tài Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí

của qúa màng vi sinh vật so với qúa trình vi sinh vật lơ lửng là sự dễ dàng trong vận hành hệ thống xử lý .Trong việc vận hành hệ thống bùn hoạt tính ,có rất nhiều những điều kiện vận hành phải duy trì như ổn định nồng độ vào, khả năng lắng của bùn, khả năng nén ép của bùn, bông bùn cho những tình trạng thích hợp, cho hoạt động của bể lắng, nhằm điều khiển dòng nước xử lý, tuần hoàn bùn và loại bỏ bùn dư….Đặc biệt, sự phát triển quá mức của vi khuẩn filamentous như Sphaelotius natans,beggiatoa…làm khả năng lắng của bùn và gây khó khăn cho quá trìng vận hành hệ thống .Trái lại, trong quá trình màng vi sinh vật, những điều kiện vận hành như trên hầu như không cần phải quan tâm tới. Trong khi bể lắng sau thiết bị xử lý bằng bùn hoạt tính còn có nhiệm vụ duy trì nồng độ bùn hoạt tính thì bể lắng sau thiết bị màng vi sinh vật chỉ có tác dụng loại bỏ chất rắn sinh học - lớp màng bị bong ra trong nước thải ra khỏi thiết bị xử lý, mà không có ảnh hưởng gì tới hoạt động của thiết bị màng vi sinh vật. Lượng bùn Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 35 dư nhỏ như đã đề cập tới ở những phần trên, do tác dụng của chuỗi thức ăn tồn tại trong quá trình màng vi sinh, có tác dụng làm giảm rắc rối trong quá trình vận hành hệ thống ,và còn làm cho hệ thống xử lý nhỏ hơn . Tuy nhiên, sự đơn giản trong vận hành dẫn tới khả năng điều chỉnh tình trạng của công trình sử lý trong quá trình vận hành thấp. Thí dụ, đối trong công trình bùn hoạt tính, nồng độ bùn trong công trình xử lý có thể được điều chỉnh thông qua lượng bùn tuần hoàn từ bể lắng, thời gian lưu bùn có thể tăng lên trong quá trình loại bỏ nitơ ,và các điều kiện vận hành có thể được điều chỉnh thích hợp cho sự phát triển của vi khuẩn nitơ. Thế nhưng đối với quá trình màng vi sinh vật không thể điều khiển chính xác sinh khối trong hệ thống, các chủng vi sinh vật bởi vì không có một phưong pháp hiệu quả nào được phát triển nhằm điều khiển quá trình này. Và có thể nói rằng, những điều kiện để điều khiển vận hành hệ thống vi sinh vật duy nhất là chỉ lượng nước đầu vào và cường độ sục khí (nếu có) b. Khởi động nhanh chóng Trong quá trình bùn hoạt tính ,thời gian khởi động: khoảng thời gian cần thiết để đạt được hiệu quả ổn định, cần tối thiểu là 1 tháng, và thông thường là 2 tháng. So sánh với quá trình màng vi sinh vật, thời gian khởi động khoảng 2 tuần đối với lọc sinh học nước và thiết bị tiếp xúc quay, và cần một thời gian hơi dài hơn đối với thiết bị lọc nhỏ giọt. Nguyên nhân làm cho thời gian khởi động của quá trình màng vi sinh vật ngắn hơn là: hầu hết sinh khối sinh ra tích luỹ lại mà không bị tiêu thụ sớm trong quá trình khởi động, khi màng vi sinh vật còn mỏng. Cũng vì vậy mà việc khôi phục vận hành cũng rất nhanh ngay cả khi một lượng lớn sinh khối bị suy giảm do một ly do nào đó. Quá trình cũng chịu đựng sự thay đổi lớn bất thường về tải trọng hữu cơ. c. Khả năng loại bỏ những cơ chất phân huỷ chậm Có thể giải thích trên hai quan điểm về khả năng loại bỏ nhưng cơ chất phân huỷ chậm của quá trình màng vi sinh vật. Những cơ chấtcó chứa các loại hợp chất hưu cơ như Polyvinyl Alcohol (PCA), Linear Alkylbenzene Sulfonate (LAS), ligin,các hợp chất clo hữu cơ …,hay các chất vô cơ như nitrat,tuy cyanid,…Những hợp chất này đều là các chất có thể phân huỷ sinh học, tuy nhiên tốc độ phân huỷ rất chậm, và tốc độ tăng trưởng của các loại vi sinh vật sử dụng các hợp chất đó làm cơ chất chính rất thấp .Thí dụ như tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn nitơ Nitosomons chỉ bằng 1/10 tốc độ phát triển của Escherichia coli. Các loại vi sinh vật có tốc độ tăng trưởng nhỏ ncó khả năng phát triển trong màng vi sinh vật. Vì vậy, đây là một nguyên nhân mà quá trình màng có khả năng loại bỏ các loại cơ chất phân huỷ chậm. Nguyên nhân thứ hai liên quan đến tỉ lệ của bề dày màng hiệu Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 36 quả với bề dày tổng của màng. Nói chung, tốc độ tiêu thụ một cơ chất chậm liên quan so sánh với sự vận chuyển bởi quá trình khuếnh tán phân tử của nó, độ sâu nó có thể vào trong màng vi sinh vật, tương ứng với độ sâu của lớp màng hiệu quả. Nói cách khác, thậm chí nếu tốc độ tiêu thụ một cơ chất nhỏ thì lượng vi sinh cần thiết sẽ lớn tương ứng, và ngược lại. Vì vậy, sự khác biệt về khả năng phân huỷ sinh học sẽ không ảnh hưởng trực tiếp tới tốc độ tiêu thụ của màng vi sinh vật. Vì vậy, màng vi sinh vật thích hợp để sử lý những loại nước thải có chứa những cơ chất phân hửy sinh học chậm d. Khả năng chịu biến động về nhiệt độ và tải lượng ô nhiễm Cả tốc độ khuếch tán và phản ứng sinh học đều giảm khi nhiệt độ giảm, và mức độ phụ thuộc của phản ứng sinh học quan trọng hơn sự khuếch tán. Năng lượng hoạt hoá được dùng để đánh giá mức độ phụ thuộc của phản ứng sinh học vào nhiệt độ , năng lượng càng lớn, sự phụ thuộc càng cao. Năng lượng hoạt hoá của khuếch tán phân tử chừng vài kcal/mol trong khi đó năng lượng hoạt hoá của phản ứng sinh học khoảng20-30 kcal/mol. Do đó, ngay cả khi nhiệt độ nước thải xuống thâp tốc độ tiêu thụ cơ chất bởi màng vi sinh vật cũng không ảnh hưởng lớn bằng bản thân tốc độ phản ứng sinh học nội tại, với động lực phản ứng giống như đối với cơ chất phân huỷ sinh học chậm. Bởi vì tốc độ khuếch tán phân tử giảm chậm hơn nhiều tốc độ phản ứng – theo nhiệt độ. Ngược lại, khi nhiệt độ nước thải tăng, tốc độ tiêu thụ cơ chất cũng không tăng nhiều như phản ứng sinh học nội. Vậy hiệu quả xử lý của màng vi sinh vật ổn định, ít phụ thuộc vào sự biến thiên nhiệt độ. Tương tự như vậy, hiệu quả xử lý cũng ổn định khi tải lượng ô nhiễm biến đổi. Khi tải lượng đầu vào tăng lên, nồng độ cơ chất trên bề mặt màng tăng tương ứng dẫn tới bề dày của lớp màng hiệu quả tăng theo. Kết quả là hiệu xuất xử lý được giữ ổn định. e. Hiệu quả cao đối với nước thải có nồng độ ô nhiễm thấp Thực nghiệm cho thấy không thể xử lý nước thải có nồng độ BOD thấp hơn 20 mg/l bằng bùn hoạt tính, vì rất khó duy trì giá trị MLSS và hiệu quả xử lý. Tuy nhiên, đối với quá trình màng vi sinh vật, chỉ cần nồng độ cơ chất cao hơn giá trị cần thiết để duy trì sự trao đổi chất (giá trị rất thấp), nước thải với nồng độ cơ chất thay đổi trong khoảng rộng được xử lý hiệu quả. Hơn nữa, nước thải với nồng độ càng thấp càng dễ xử lý. f. Thiết bị xử lý đa dạng Mặc dù có tên chung, hay cùng những đặc tính làm sạch nước, quá trình màng vi sinh vật có sự đa dạng về thiết bị. Trong mỗi loại thiết bị lọc ngập nước, tiếp xúc quay hay lọc nhỏ giọt, hình dạng, kích thước, vật liệu, phương pháp sắp xếp bố trí vật liệu đệm cũng rất đa dạng. Mặc dù không có sự khác biệt nhiều về diện tích bề mặt riêng (diện tích Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 37 màng/thể tích thiết bị) giữa các loại thiết bị trên, nhưng đối với thiết bị sử dụng vật liệu lơ lửng có diện tích bề mặt màng lớn hơn nhiều, và tương ứng là tải trọng hữu cơ cũng lớn hơn. Hơn nữa, những loại thiết bị trên có thể áp dụng được cho cả quá trình hiếu khí và kị khí, trừ thiết bị lọc nhỏ giọt. Vì vậy, quá trình màng vi sinh vật có thể dùng để xử lý nhiều loại nước thải khác nhau.Cụ thể, thiết bị sử dụng vật liệu đệm dùng để lý nước thải có nồng độ hữu cơ từ vài trăm tới vài nghìn mg/l vì chúng thích hợp với tải lượng cao, lọc sinh học ngập nước thiết bị tiếp xúc quay và lọc nhỏ giọt thích hợp xử lý nước thải nồng độ thấp, từ vài chục tới vài trăm mg/l, hay dùng làm thiết bị xử lý bậc hai. Quá trình màng vi sinh vật không những đa dạng về chủng loại, phương cách áp dụng, điều kiện vận hành như đã đề cập ở trên, mà còn có nhiều ưu điểm về cấu tạo và vận hành khác.Tuy nhiên quá trình màng vi sinh vật còn có những nhược điểm như sau: g. Không có khả năng điều khiển sinh khối Thông thường không dễ dàng để điều khiển sinh khối trong màng vi sinh vật. Hơn nữa, sự tăng bề dày màng vựơt quá một gía trị bề dày hiệu quả không đóng góp gì vào việc sử lý ô nhiễm, mà còn làm giảm diện tích hiệu quả của màng vi sinh vật và thời gian lưu nước trong thiết bị xử lý. Không có khả năng kiểm soát được sinh khối do không thể kiểm soát được thời gian lưu bùn và do đó cũng không thể kiểm soát được các loài vi sinh vật có trong màng. Trong quá trình bùn hoạt tính để ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn nitơ hoá, nhằm kìm hãm quá trình nitrat hoá, thời gian lưu bùn chỉ cần rút ngắn lại. Ngược lại, để thúc đẩy quá trình nitrat hoá hay phát triển protozoa và metazoa chỉ cần tăng thời gian lưu bùn bằng cách giảm lượng bùn dư lấy ra.Vì vậy hoàn toàn có thể điều khiển được các loài vi sinh trong bùn. Đối với quá trình màng vi sinh vật ,sự đa dạng sinh học cao, dẫn tới chuỗi thức ăn được kéo dài và làm giảm lượng bùn dư. Không có phương pháp nào được phát triển để kiểm soát lượng vi sinh trong màng, và do đó, sự phát triển quá mức của một số vi sinh vật cỡ lớn như Daphnia hay Nais sẽ xâm chiếm bậc cao trong chuỗi thức ăn và làm giảm khả năng xử lý của hệ thống vì chúng ăn một lượng lớn các vi sinh khác và sản sinh ra các sản phẩm bền, khó lắng trong nước đầu ra. Do vậy, quá trình màng vi sinh vật có rất ít các yếu tố điều khiển, có nghĩa là dễ vận hành, nhưng cũng khó để vận hành trong một điều kiện tốt. h. Tốc độ làm sạch bị hạn chế bởi quá trình khuyếch tán Trong quá trình màng vi sinh vật, các yếu tố điều khiển quá trình làm sạch nước là sự vận chuyển cơ chất và oxy vaò màng vi sinh vật và tốc độ phản ứng sinh học của vi sinh. Trong đa số trường hợp, sự vận chuyển cơ chất bởi quá trình khuếch tán trở thành yếu tố Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 38 hạn chế tốc độ phản ứng (sự hạn chế khuếch tán), nồng độ cơ chất trở thành yếu tố điều khiển phản ứng làm sạch. Màng vi sinh vật càng dày, nồng độ oxy trong nước thải càng cao thì tốc độ phản ứng càng cao. Nồng độ oxy hoà tan phải được duy trì cao trong nước thải trong thiết bị lọc sinh học, do đó năng lượng sục khí cũng phải cao tương ứng. Do đó, để hạn chế ảnh hưởng của quá trình khuếch tán, diện tích màng vi sinh phải đủ lớn, tương ứng với lượng sinh khối đủ lớn. Như vậy cần phải sử dụng vật liệu lọc có diện tích bề mặt riêng lớn. Thêm vào đó vận tốc nước chảy trên bề mặt màng phải đủ lớn để duy trì bề dày lớp màng đủ nhỏ để tăng cường khả năng khuếch tán của cơ chất và oxy vào trong lớp màng, tương ứng với năng lượng để bơm nước tiêu tốn hơn. Hơn nữa, cần phải thiết kế thiết bị xử lý sao cho vận tốc nước chảy đều mọi nơi trong khối vật liệu đệm. Với những thuận lợi như trên việc ứng dụng phương pháp xủ lý bằng màng sinh vật vào quá trình xử lý nước thải chăn nuôi là rất phù hợp. 3.3 Ảnh hưởng của amonia trong quá trình lọc kị khí Trong nước thải chăn nuôi, hàm lượng NH3 khá cao, cụ thể ở trại heo Xuân Thọ III, từ 300-400 mg/l. Amonia được sinh ra trong suốt quá trình phân huỷ kị khí các hợp chất hữu cơ chứa N như protein, acid amin. Đồng thời một lượng amonia được vi khuẩn sử dụng trực tiếp để tổng hợp tế bào và tăng sinh khối. Sự chuyển đổi giữa NH4+ và NH3 thể hiện trong phương trình sau: NH4+ ⇔ NH3 + H+ , pKa = 9.27 ở 35o C Khi pH tăng lên, cân bằng dịch chuyển về bên phải, NH3 tăng lên Cũng như acid béo bay hơi, amonia còn tạo nên khả năng đệm cho nước vì chúng là các acid yếu và baz yếu. Do đó ta có mối quan hệ giữa độ kiềm và acid béo bay hơi như sau: Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 39 S T ` Hình 3.6: Cân bằng acid – baz và khả năng đệm của quá trình biến đổi kị khí Điều này làm thay đổi pH của nước. Đây là cơ sở để giải thích các kết quả thí nghiệm ở chương sau 3.4. Động học phản ứng trong quá trình lọc sinh học kị khí Mô hình động học hình thức: Không quan tâm đến bùn ở dạng màng sinh học hay bùn hoạt tính. Đơn thuần xem phản ứng phân huỷ cơ chất như như một phản ứng hoá học có vận tốc phản ứng như sau: r = - m V dt dS = kSn Công thức trên đúng khi S >> E có nghĩa là công thức chỉ sử dụng được cho khoảng thời gian đầu của quá trình xử lý. Trong đó: S: Nồng độ cơ chất tham gia phản ứng E: Nồng độ của men vi sinh V: Thể tích nước trong mô hình m: Khối lượng vật liệu lọc trong mô hình n: Bậc phản ứng k: Hằng số tốc độ phản ứng CHONS Chất hữu cơ RCOOH Acid béo bay hơi CO2, H2O, NH3, H2S H2CO3 ⇔ NH4+ + HCO3- RCOO- + NH4+ + H2O + CO2 Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 40 t ln 0S S V m k t k m V S 1 9 n = 1 Phương trình vận tốc trở thành: r = - m V dt dS = kS Lấy tích phân 2 vế: - m V ∫ S dS = ∫kdt ⇔ - m V lnS = kt + C Điều kiện biên: t = 0, S = S0 ⇒ C = - m V lnS0 Suy ra: - m V lnS = kt - m V lnS0 ln 0S S = V m kt Từ thực nghiệm, ta xác định được S(t), vẽ đồ thị ln 0S S theo t, suy ra hệ số góc V m k. Từ đây, tính được k 9 n = 2: Phương trình vận tốc trở thành: r = - m V dt dS = kS2 Tích phân 2 vế: - m V ∫ 2S dS = ∫kdt ⇔ m V S 1 = kt + C Điều kiện biên: t = 0, S = S0, được C = m V 0 1 S Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 41 Suy ra m V S 1 = kt + m V 0 1 S Vẽ đồ thị với trục hoành là t, trục tung là m V S 1 , suy ra được hệ số góc k. 9 Với phản ứng bậc n r = - m V dt dS = kSn - m V ∫ nS dS = ∫kdt ⇔ - m V n−1 1 S1-n = kt +C Điều kiện biên: t = 0, S = S0, ta được C = - m V n−1 1 S01-n Suy ra: - m V n−1 1 S1-n = kt - m V n−1 1 S01-n m V 1 1 −n S 1-n = kt + m V 1 1 −n nS S 0 0 m V 1 1 −n S 1-n = n n Snm VSnmktS 0 00 )1( )1( − +− VS1-n = [ ] nn SSVnmktS 0010 )1( +−− VS1-n = [ ] nn SVnmktS −− +− 1010 )1( S = S 0 1 1 1 0 )1( − − ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +− nn V VnmktS Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 42 0S S = 1 1 1 0 )1( − − ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +− nn V VnmktS Độ chuyển hoá cơ chất X = 0 0 S SS − Thay vào trên ta được: (1-X) n−1 = V nmktSV n )1(10 −− − ⇒ kt = [ ] )1( )1(1 110 nm XVS nn − −− −− Để xác định bậc phản ứng n, ta tiến hành đo nồng độ cơ chất theo thời gian để có S0 , S(t1) , S(t2). Trong đó phải thoã điều kiện vi sinh vật ở thời điểm t1, t2 đang nằm trong pha log, để phù hợp với điểu kiện của phương trình là S >> E. Lập tỉ lệ: 2 1 kt kt = [ ][ ]nn nn XS XS −− −− −− −− 1 2 1 0 1 1 1 0 )1(1 )1(1 ⇔ 2 1 t t = [ ][ ]n n X X − − −− −− 1 2 1 1 )1(1 )1(1 Có t1, t2 và X1, X2 ta suy ra được bậc phản ứng n. Từ đó tính được k bằng công thức: k = [ ] tnm XVS nn )1( )1(1 110 − −− −− Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 43 4.1 Sơ lược nội dung và phương pháp nghiên cứu Nước thải sau bể biogas được lấy về. Để lắng 2 giờ để loại bỏ cặn lơ lửng dễ lắng. ¾ Xác định thành phần tính chất nước thải sau lắng. ¾ Tiến hành chạy trên mô hình thí nghiệm lọc sinh học kị khí tĩnh. - Xác định khả năng xử lý đối với nước thải chăn nuôi sau bể biogas. - Xác định đặc tính xử lý theo thời gian của mô hình thí nghiệm. - Xác định các thông số động học ¾ Tiến hành chạy trên mô hình thí nghiêm lọc sinh học kị khí động. - Xác định hiệu quả xử lý ứng với các thời gian lưu nước khác nhau. Từ đó chọn ra thời gian lưu nước tốt nhất. - Xác định tải trọng tối ưu ứng với thời gian lưu nước tốt nhất Từ các kết quả thu được, ứng dụng các lý thuyết đã biết để giải thích và rút ra kết luận. Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 44 4.2 Xác định thành phần tính chất nước thải Bảng 4.1: Thành phần tính chất nước thải sau lắng Chỉ tiêu Kết quả phân tích Đơn vị pH 7.23 - 8.07 COD 1300 - 1700 mg/l BOD5 845 - 1190 mg/l SS 200 - 400 mg/l N-NH3 304 - 471 mg/l N-tổng 512 - 594 mg/l P-tổng 13.8 - 62 mg/l 4.3 Mô hình thí nghiệm và nguyên tắc hoạt động 4.3.1 Mô hình thí nghiệm Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 45 Hình 4.1: Mô hình lọc kị khí tĩnh Hình 4.2: Mô hình lọc kị khí động Bôm ñònh löôïng Nöôùc ra Lôùp vaät lieäu loïc sô döøa Nöôùc vaøo Van xaû ñaùy Van laáy nöôùc Van xaû ñaùy Bôm Lôùp vaät lieäu loïc sô döøa Van laáy maãu Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 46 Mô hình tĩnh và động được làm từ các bình nhựa trong, có kích thước: • Đường kính: 330 mm • Chiều cao bình: 450 mm • Thể tích bình: 20 lít Các thông số ban đầu của mô hình lọc kị khí tĩnh và động: • Vật liệu lọc: sơ dừa, dạng sợi • Đăc tính của sơ dừa: 9 Đường kính một sợi: 0.435 mm 9 Khối lượng riêng của sơ dừa đã nén chặt: 234.3 kg/m3 • Tổng chiều cao lớp lọc sơ dừa: 350 mm • Tổng thể tích sơ dừa trong nước: 4 lít • Khối lượng sơ dừa: 1kg • Tổng thể tích chứa nước: 14 lít. • Tổng thể tích sơ dừa và nước trong mô hình: 18 lít 4.3.2 Nguyên tắc hoạt động 9 Mô hình lọc kị khí tĩnh: Ban đầu nước thải được bơm vào mô hình thông qua van xả đáy. Sau đó nước được bơm tuần hoàn từ đỉnh xuống đáy mô hình trong suốt thời gian khảo sát. Khi hiệu quả xử lý đạt mức ổn định, nước được tháo ra ngoài qua van xả đáy. Tại vị trí van lấy mẫu, tiến hành lấy mẫu phân tích. 9 Mô hình lọc kị khí động: Nước được bơm xuống đáy mô hình thông qua bơm định lượng. Khi hết thời gian lưu nước trong mô hình, nước tràn ra ngoài theo van lấy nước. Tiến hành lấy mẫu đầu vào hệ thống ngay tại vị trí đầu ra của bơm, và đầu ra hệ thống ngay tại vị trí van lấy nước. 4.4 Phương pháp thí nghiệm 4.4.1 Thí nghiệm trên mô hình tĩnh 9 Giai đoạn thích nghi Mục đích là tạo ra lớp màng vi sinh dính bám lên lớp vật liệu lọc để xử lý nước thải. Giai đoạn thích nghi bắt đầu với nồng độ COD = 600mg/l. Nước thải được bơm tuần hoàn trong suốt thời gian thích nghi.Để đẩy nhanh quá trình thích nghi, thúc đẩy quá Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 47 trình hình thành màng vi sinh dính bám lên sơ dừa, tiến hành bổ sung bùn lấy từ hệ thống phân huỷ khị khí. Bùn lấy về, rây qua lưới lọc, loại bỏ rác và sạn sau đó cho vào mô hình sao cho hàm lượng VSS ban đầu là 10-12g VSS/1 lít nước thải. Giai đoạn thích nghi kết thúc khi hiệu quả xử lý ổn định và hình thành lớp màng vi sinh dính bám trên sơ dừa. Giai đoạn thích nghi của mô hình thí nghiệm kéo dài trong 2 tuần, 1 tuần cho 1 lần thay nước với nồng độ COD = 600 mg/l. Trong giai đoạn thích nghi, tiến hành đo các chỉ tiêu COD, pH. 9 Giai đoạn tăng nồng độ Sau khi thích nghi, tiến hành tăng nồng độ và theo dõi hiệu quả xử lý ở các nồng độ COD = 600 mg/l , 1200 mg/l, 1500 mg/l. Thời gian theo dõi là 2 ngày. Mỗi nồng độ chạy trong 2 tuần. Cuối mỗi nồng độ, tiến hành theo dõi đặc tính xử lý của mô hình theo thời gian. Ở mỗi nồng độ, tiến hành phân tích các chỉ tiêu COD, BOD5, pH, N-NH3 ,PO43-, N tổng. Nhưng do điều kiện thí nghiệm không cho phép để thực hiện phân tích các chỉ tiêu BOD5 ,PO43-, N tổng một cách thường xuyên nên các thông số kiểm soát thường xuyên cho cả mô hình tĩnh và động là COD, N-NH3, pH. 4.4.2 Thí nghiệm trên mô hình động 9 Giai đoạn thích nghi: Tương tự như mô hình tĩnh. Nước thải được bơm tuần hoàn trong suốt quá trình thích nghi bằng bơm định lượng với lưu lượng 28.8 lít/ngày đến khi hình thành lớp màng vi sinh và hiệu quả xử lý ổn định. 9 Giai đoạn ổn định: Tiến hành khảo sát hiệu quả xử lý của mô hình ở các thời gian lưu nước khác nhau, theo thứ tự giảm dần thời gian lưu: HRT = 24giờ, 12giờ, 8giờ và 4 giờ. Với HRT = 24 giờ, tiến hành tăng dần nồng độ đến khi đạt được nồng độ thực COD = 1500 mg/l và hiệu quả xử lý ổn định thì giảm dần thời gian lưu nước. Trong quá trình thí nghiệm, thực hiện phân tích thường xuyên các chỉ tiêu: COD, pH, NH3. 4.5 Kết quả thí nghiệm và thảo luận 4.5.1 Mô hình tĩnh 4.5.1.1 Theo dõi hiệu quả xử lý ứng với các nồng độ COD khác nhau Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 48 H N - N H 3 (% ) -9 .3 17 .2 15 .1 18 .0 -6 .8 -1 9. 4 15 .9 - 4 .7 10 .1 39 .3 16 .9 -3 .7 -1 0. 8 22 .8 12 .1 11 .7 -1 5. 6 12 .8 8. 7 8. 9 2. 6 N -N H 3r m g/ l (H RT = 2 ng ày ) 22 3. 0 21 3. 0 26 0. 5 17 4. 0 18 9. 0 28 9. 0 22 4. 5 32 6. 0 32 0. 0 25 3. 0 24 7. 0 32 0. 0 21 0. 0 23 7. 0 29 1. 0 32 1. 0 36 7. 0 34 4. 5 39 6. 0 36 4. 0 35 2. 0 N -N H 3v m g/ l 2 04 .0 25 8. 0 30 7. 0 21 2. 5 11 7. 0 24 2. 0 20 9. 0 31 1. 5 35 6. 0 27 9. 0 29 8. 0 34 9. 0 19 0. 0 30 7. 0 32 7. 5 36 3. 5 31 7. 5 39 5. 0 43 3. 5 39 9. 5 36 1. 5 pH r (H RT = 2 ng ày ) 7. 85 7. 88 7. 48 7. 66 7. 58 7. 86 7. 68 7. 94 7. 84 7. 73 7. 73 8. 10 7. 75 7. 51 7. 70 7. 51 7. 68 7. 57 7. 68 7. 93 7. 64 pH r (H RT = 1 ng ày ) 7. 84 7. 65 7. 58 7. 58 7. 84 7. 65 7. 45 7. 84 8. 06 8. 02 7. 85 8. 09 7. 89 7. 30 7. 61 7. 55 7. 60 7. 60 7. 52 7. 87 7. 57 pH V 7. 77 7. 38 7. 62 7. 52 7. 21 7. 74 7. 42 7. 81 7. 57 7. 68 7. 92 7. 59 7. 57 7. 42 7. 52 7. 30 7. 62 7. 73 7. 41 7. 82 7. 62 H C O D (% ) (H RT = 2 ng ày ) 29 .5 40 .3 68 .0 68 .1 65 .9 67 .1 68 .9 68 .0 69 .6 69 .7 71 .3 78 .5 71 .4 70 .3 63 .7 67 .0 67 .5 67 .8 68 .5 70 .0 67 .8 H C O D (% ) (H RT = 1 ng ày ) 15 .7 34 .2 66 .0 66 .3 65 .9 67 .1 68 .9 68 .0 65 .0 68 .2 62 .7 78 .5 71 .4 70 .3 64 .0 62 .0 65 .0 66 .9 66 .1 68 .1 67 .8 C O D r (H RT = 2 ng ày ) 47 0 39 8 19 2 20 8 25 0 22 4 20 4 33 9 34 3 34 0 31 5 20 6 32 4 30 2 52 3 50 4 52 0 47 6 48 3 44 5 50 2 C O D r (H RT = 1 ng ày ) 56 2 43 9 20 4 22 0 25 0 23 8 20 4 33 9 39 5 35 7 40 9 20 6 32 4 30 2 51 8 58 0 56 0 49 0 52 0 47 4 50 2 C O D v 66 7 66 7 60 0 65 2 73 3 68 0 65 5 10 59 11 29 11 23 10 97 96 0 11 34 10 18 14 40 15 27 16 00 14 80 15 32 14 84 15 57 B ản g 4. 2: K ết q uả c hạ y m ô hì nh tĩ nh ở c ác n ồn g độ C O D k há c nh au C O D = 60 0 m g/ l C O D = 10 00 m g/ l C O D = 15 00 m g/ l Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 49 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 C O D (m g/ l) COD vào COD ra (HRT=1 ngày) COD ra (HRT=2 ngày) 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 C O D (m g/ l) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 H iệ u qu ả xử lý (% ) COD vào Hiệu quả xử lý (HRT=1 ngày) Hiệu quả xử lý (HRT=2 ngày) HRT: thời gian lưu nước. Đồ thị 4.1: Sự biến đổi COD ở các nồng độ khác nhau Đồ thị 4.2: Hiệu quả xử lý COD ở các nồng độ khác nhau Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 50 0 100 200 300 400 500 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 N -N H 3 ( m g/ l) N-NH3 vào N-NH3 ra (HRT=2 ngày) 0 100 200 300 400 500 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 N -N H 3 (m g/ l) -30 -20 -10 0 10 20 30 H iệ u qu ả xử lý (% ) N-NH3 vào Hiệu quả xử lý (%) Đồ thị 4.3: Sự biến đổi N-NH3 ở các nồng độ khác nhau Đồ thị 4.4: Hiệu quả xử lý N-NH3 ở các nồng độ khác nhau Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 51 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 pH pH vào pH ra (HRT=2ngày) Đồ thị 4.5: Sự biến đổi pH ở các nồng độ COD khác nhau Nhận xét: Trong giai đoạn thích nghi ban đầu, tại COD = 600 mg/l, hiệu quả xử lý COD sau 1 ngày lưu nước chỉ đạt 15-34%, sau 2 ngày lưu nước chỉ đạt 35-40%. Hiệu quả xử lý thấp do vi sinh vật chưa thích nghi và chưa dính bám tốt. Sau giai đoạn thích nghi, hiệu quả xử lý tăng lên và đạt ổn định . 9 Tại nồng độ COD = 600 mg/l, hiệu quả xử lý COD sau 1 ngày lưu nước 1 khoảng 65-69%, sau 2 ngày lưu nước khoảng 65-68%. 9 Tại nồng độ COD = 1000 mg/l, hiệu quả xử lý COD sau 1 ngày lưu nước khoảng 65-71%, sau 2 ngày lưu nước khoảng 68%-71%. 9 Tại nồng độ COD = 1500 mg/l, hiệu quả xử lý COD sau 1 ngày lưu nước: 64-67%, sau 2 ngày lưu nước: 66-68%. Nhìn trên đồ thị, ta thấy rõ sự ổn định về hiệu suất xử lý khi tăng COD từ 600 mg/l lên 1000 mg/l và 1500 mg/l. Hiệu quả xử lý COD ở cả 3 nồng độ khá cao 65-70% (sau khi đã qua 1 bậc xử lý kị khí trong bể biogas). Ở mỗi nồng độ, không có sự khác biệt đáng kể về hiệu xuất xử lý COD sau 1 ngày lưu nước và 2 ngày lưu nước. Điều này có thể giải thích do nước thải chăn nuôi là loại nước thải dễ phân hủy sinh học; hơn nữa, sau khi qua bể biogas, một phần các chất hữu cơ đã bị phân hủy, những chất khó phân huỷ cũng đã được vi khuẩn thuỷ phân, lên men và vi khuẩn acid hoá chuyển thành các hợp chất đơn giản, dễ phân Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 52 hủy, thuận lợi cho hoạt động phân huỷ của hệ vi sinh kị khí trong quá trình lọc kị khí. Do đó tốc độ methane hoá trong quá trình lọc kị khí xãy ra nhanh hơn, hiệu quả xử lý ở các nồng độ khá cao và ổn định sau thời gian xử lý là 1 ngày. Vậy ta có thể chọn thời gian lưu nước là 1 ngày. pH tăng ít từ 0.03 đến 0.3 đơn vị. N-NH3 ứng với thời gian lưu nước 2 ngày biến động (tăng hoặc giảm) 20-40 mg/l. Sự biến động này là do ảnh hưởng của NH3 sinh ra trong quá trình kị khí và NH3 do vi khuẩn sử dụng để tổng hợp tế bào. 4.5.1.2.Theo dõi sự biến đổi các thông số theo thời gian ứng với các nồng độ COD khác nhau a. Nồng độ COD = 600 mg/l Bảng 4.3: Sự biến đổi các thông số theo thời gian tại COD = 600 mg/l Giờ COD (mg/l) Hiệu quả xử lý HCOD (%) pH N-NH3 (mg/l) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 776 565 426 353 311 345 334 353 338 310 296 310 310 268 240 240 240 240 240 0 27.2 45.1 54.5 59.9 55.5 57.0 54.5 56.4 60.1 60.1 65.5 69.1 69.1 69.1 69.1 69.1 69.1 69.1 7.98 - 7.71 - 7.77 - 8.00 - 8.07 - 7.95 - 7.98 - 8.08 - 8.04 - 8.07 250 - 275 - 263 - 242 - 225 - 210 - 222 - 231 - 216 - 222 Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 53 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Giờ C O D (m g/ l) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 H iệ u qu ả xử lý (% ) COD Hiệu quả xử lý pH 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00 8.50 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Giờ Đồ thị 4.6: Sự biến đổi COD theo thời gian tại nồng độ 600mg/l Đồ thị 4.7: Sự biến đổi pH theo thời gian tại nồng độ COD = 600 mg/l Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 54 0 50 100 150 200 250 300 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Giờ N -N H 3 (m g/ l) N-NH3 Đồ thị 4.8: Sự biến đổi N-NH3 theo thời gian tại nồng độ COD = 600 mg/l Nhận xét: Hiệu quả xử lý COD khá cao, gần 70%. Trong 4 giờ đầu, COD giảm nhanh từ 776 mg/l xuống còn 311 mg/l, hiệu quả xử lý đạt 60%. Sau đó, COD giảm chậm hơn ở các giờ tiếp theo. Sau 14 giờ lưu nước, COD chỉ còn 240 mg/l, ứng với hiệu suất xử lý là 69% và đạt ổn định ở các giờ còn lại. Trong 4 giờ đầu pH giảm đồng thời COD cũng giảm. pH đầu vào là 7.98, pH sau 4 giờ lưu nước giảm còn 7.77 (giảm 0.2 đơn vị), sau đó pH tăng lên và dao động nhẹ xung quanh giá trị pH = 8. N-NH3 trong vài giờ đầu tăng 10 – 20 mg/l, sau đó giảm dần ở thời gian tiếp theo. Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 55 b. Nồng độ COD = 1000 mg/l Bảng 4.4: Sự biến đổi các thông số theo thời gian tại COD = 1000 mg/l 0 200 400 600 800 1000 1200 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Giờ C O D (m g/ l) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 H iệ u qu ả xử lý (% ) COD Hiệu quả xử lý (%) Đồ thị 4.9: Sự biến đổi COD theo thời gian tại nồng độ 1000mg/l Giờ COD (mg/l) Hiệu quả xử lý HCOD (%) pH N-NH3 (mg/l) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 1017 870 732 514 423 440 294 321 294 283 294 0 14.5 28.0 49.5 58.4 56.7 71.1 68.4 71.1 72.2 71.1 7.68 7.35 7.50 7.58 7.77 7.78 7.82 7.80 7.75 7.84 7.76 307 322 337.5 324 308 288 292 282 287.5 290 297 Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 56 6.0 6.3 6.6 6.9 7.2 7.5 7.8 8.1 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Giờ pH 100 150 200 250 300 350 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Giờ N -N H 3 ( m g/ l) Đồ thị 4.10: Sự biến đổi pH theo thời gian tại nồng độ COD = 1000 mg/l Đồ thị 4.11: Sự biến đổi N-NH3 theo thời gian tại nồng độ COD = 1000 mg/l Nhận xét: Trong trường hợp COD = 1000 mg/l, COD giảm từ 1017 mg/l xuống còn 294 mg/l sau 12 giờ lưu nước, và đạt hiệu quả xử lý 71%. COD giảm nhanh trong 6 giờ đầu, sau 6 giờ lưu COD chỉ còn 514 mg/l, hiệu quả xử lý cơ chất đạt 50%. Sau đó COD giảm chậm hơn trong các giờ kế tiếp và đạt ổn định với hiệu suất khử COD 71-72% Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 57 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Giờ C O D (m g/ l) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 H iệ u qu ả xử lý (% ) COD Hiệu quả xử lý Tương tự như tại COD = 600 mg/l, ở COD = 1000 mg/l, pH cũng giảm trong vài giờ đầu. pH đầu vào là 7.68 nhưng sau 2 giờ giảm còn 7.35 (giảm 0.33 đơn vị). Sau đó pH tăng chậm, pH sau 10 giờ lưu là 7.78, và dao động nhẹ 0.04-0.06 đơn vị trong các giờ tiếp theo. N-NH3 tăng ở 4 giờ đầu, từ 307 mg/l lên 337 mg/l sau 4 giờ lưu (tăng 30 mg/l). Sau đó NH3 giảm chậm, sau 10 giờ lưu còn 288 mg/l. a. Nồng độ COD = 1500 mg/l: Bảng 4.5: Sự biến đổi các thông số theo thời gian tại COD = 1500 mg/l Đồ thị 4.12: Sự biến đổi COD theo thời gian tại nồng độ 1500mg/l Giờ COD (mg/l) Hiệu quả xử lý HCOD (%) pH N-NH3 (mg/l) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 1533 1220 992 824 757 642 593 642 513 513 542 0 20.4 35.3 46.2 50.6 58.1 61.3 58.1 66.5 66.5 64.6 7.92 7.58 7.48 7.66 7.67 7.80 7.82 7.80 7.90 7.79 7.86 395 421 425 434 426 414 419 406 404 409 407 Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 58 6 6.5 7 7.5 8 8.5 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Giờ pH 200 250 300 350 400 450 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Giờ N -N H 3 ( m g/ l) Đồ thị 4.13: Sự biến đổi pH theo thời gian tại nồng độ COD = 1500 mg/l Đồ thị 4.14: Sự biến đổi N-NH3 theo thời gian tại nồng độ COD = 1500 mg/l Nhận xét: Trong trường hợp COD = 1500 mg/l, hiệu quả xử lý COD đạt 66.5% sau 18 giờ lưu nước; thấp hơn so với tại nồng độ 600 mg/l và 1000 mg/l trong cùng thời gian. COD giảm nhanh trong 10 giờ đầu, COD vào = 1533 mg/l, sau 10 giờ lưu hiệu quả xử lý đạt 58% ứng với COD = 642 mg/l. Tương tự như ở COD = 600 mg/l và COD = 1000 mg/l, sau thời gian đầu giảm nhanh, COD giảm chậm hơn ở các giờ kế tiếp và đạt ổn định với hiệu quả xử lý 66.5%. Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 59 pH vào = 7.92, sau 4 giờ giảm còn 7.48 (giảm 0.44 đơn vị), sau đó tăng chậm 0.2- 0.4 đơn vị. Sau 20 giờ pH là 7.86 NH3 tăng dần trong 6 giờ đầu, NH3 đầu vào = 395 mg/l, sau 6 giờ là 434 mg/l (tăng 39 mg/l). Sau đó giảm dần và dao động nhẹ trong khoảng 404-409 mg/l. Sau 20 giờ NH3 không giảm mà còn tăng 12 mg/l so với đầu vào. Kết luận: Hiệu quả xử lý COD ở cả 3 nồng độ khá cao 66-70% sau thời gian 20 giờ lưu nước. Nhìn chung, COD giảm nhanh trong vài giờ đầu ứng với sinh trưởng của vi sinh vật đang nằm trong pha log, sau đó giảm chậm ở các giờ tiếp theo và dần ổn định. 9 Tại COD = 600 mg/l, COD giảm nhanh trong 4 giờ đầu với hiệu suất xử lý COD là 60% 9 Tại COD = 1000 mg/l, COD giảm nhanh trong 8 giờ đầu với hiệu suất xử lý COD là 58% 9 Tại COD = 1500 mg/l, COD giảm nhanh trong 10 giờ đầu với hiệu suất xử lý COD là 58% Ta thấy rõ, hàm lượng chất hữu cơ càng cao, thời gian phân huỷ càng dài Trong 3 trường hợp, ta thấy có sự tương tự nhau: pH giảm trong vài giờ đầu, đồng thời COD cũng giảm đáng kể. Điều này có thể giải thích do: Trong thành phần nước thải sau quá trình biogas vẫn còn chứa 1 số chất hữu cơ ở dạng phức tạp, chưa được phân huỷ như cellulose, protit, chất béo…;ở pH = 7-8, vi khuẩn acid hoá hoạt động, song song đó, vi khuẩn methane hoá cũng hoạt động. Vi khuẩn acid hoá hoạt động chuyển hoá các hợp chất này thành các acid acetic, propionic, butyric… làm giảm pH của nước, vi khuẩn methane hoá hoạt động chuyển hoá các acid này thành CH4 và CO2 làm giảm COD trong nước. Ứng với COD càng cao, pH giảm càng nhiều vì lượng acid sinh ra nhiều hơn so với ở COD thấp. pH sau đó tăng chậm lên do quá trình giải phóng độ kiềm bicarbonate HCO- ;đồng thời do trong quá trình vi sinh vật sử dụng cơ chất để tổng hợp tế bào, đã lấy đi H+ trong nước. Trong các trường hợp trên, NH3 tăng trong vài giờ đầu do quá trình do quá trình phân huỷ các chợp chất hữu cơ chứa N như protein, acid amin sinh ra NH3 tự do, sau đó giảm ở các giờ tiếp theo do vi khuẩn sử dụng để tổng hợp tế bào và 1 phần NH3 thoát ra ngoài mô hình. Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 60 Trong quá trình lọc kị khí, hiệu quả xử lý N-NH3 không đáng kể. Ở nồng độ càng cao, hiệu quả xử lý N-NH3 càng kém. kết quả theo dõi ở COD = 1500 mg/l cho thấy NH3 tăng 12 mg/l sau 20 giờ lưu nước. 4.5.2 Mô hình động Bảng 4.6: Kết quả chạy mô hình động Thời gian lưu nước HRT CODv (mg/l) CODr (mg/l) Tải trọng ( kgCOD/ m3.ngày) Hiệu quả xử lý (%) pHv pHr COD = 600 mg/l 600 600 733 655 667 565 847 204 192 218 209 215 164 320 0.34 0.34 0.42 0.37 0.38 0.32 0.48 66.0 68.0 70.3 68.1 67.8 71.0 62.2 7.85 7.49 7.71 7.56 7.62 7.52 7.58 7.82 7.47 7.68 7.75 7.68 7.71 7.76 COD =1000 mg/l 1059 988 1091 1018 988 988 1129 305 320 22 284 273 301 400 0.61 0.56 0.62 0.58 0.56 0.56 0.65 71.2 67.6 76.0 72.1 72.4 69.5 64.6 7.75 7.79 7.81 7.73 7.66 7.53 7.62 7.91 7.78 7.53 7.61 7.84 7.91 7.84 HRT = 24 giờ COD =1200 mg/l 1200 1200 1200 1200 1200 1167 381 381 438 329 351 329 0.69 0.69 0.69 0.69 0.69 0.67 68.3 68.3 63.5 72.6 70.8 71.8 7.73 7.87 8.01 7.69 8.03 7.64 7.93 8.03 7.71 7.67 8.08 7.75 Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 61 COD = 1500 mg/l 1509 1371 1645 1571 1440 1400 357 425 494 494 520 466 0.86 0.78 0.94 0.90 0.82 0.80 76.3 69.0 70.0 68.6 63.9 66.7 7.52 7.67 8.07 7.80 7.60 7.75 7.75 7.90 8.32 8.08 7.71 7.73 HRT = 12 giờ COD = 1500 mg/l 1577 1600 1509 1645 1518 773 747 600 690 686 3.24 3.29 3.10 3.38 3.12 51.0 53.3 60.2 58.1 54.8 8.03 7.85 7.79 7.81 8.02 7.94 7.71 8.03 8.11 8.07 HRT = 8 giờ COD = 1500 mg/l 1600 1600 1533 1570 1545 1133 1000 933 800 757 5.49 5.49 5.26 5.38 5.30 29.2 37.5 39.1 49.0 51.0 7.39 7.53 7.36 7.60 7.57 782 7.71 7.78 7.46 7.59 HRT = 4 giờ COD = 1500 mg/l 1545 1564 1628 1600 1600 1600 1220 1145 1256 1218 1064 1064 10.59 10.72 11.16 10.97 10.97 10.97 21.0 26.8 22.9 23.9 33.5 33.5 7.53 7.67 7.45 7.83 7.72 7.71 7.41 7.60 7.53 7.61 7.63 7.64 Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 62 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 13 1415 1617 1819 2021 2223 2425 26 Ngày C O D (m g/ l) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 H iệ u qu ả xử lý (% ) COD vào COD ra Hiệu quả xử lý 6.0 6.3 6.6 6.9 7.2 7.5 7.8 8.1 8.4 8.7 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 Ngày pH pH vào pH ra a. Thời gian lưu nước HRT = 24 giờ Đồ thị 4.15: Sự biến đổi COD ứng với thời gian lưu nước 24 giờ Đồ thị 4.16: Sự biến đổi pH ứng với thời gian lưu nước 24 giờ Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 63 Nhận xét: Ứng với thời gian lưu nước HRT = 24 giờ, hiệu quả xử lý ổn định ở các nồng độ COD khác nhau. Hiệu quả xử lý khá cao, 70%. Kết quả này tương tự như kết quả thu được trong mô hình tĩnh khi khảo sát ở thời gian lưu nước 1 ngày. Hiệu quả xử lý cao và ổn định tại các nồng độ khác nhau có thể được giải thích do: bản thân nước thải chăn nuôi sau hệ thống biogas có tính chất dễ phân huỷ sinh học; đồng thời đối với tải trọng hữu cơ thấp (từ 0.3 – 1.5 kgCOD/m3.ngày) ứng với thời gian lưu nước dài (24 giờ) và lưu lượng nhỏ (0.58 lit/giờ), thì vận tốc nước chảy qua màng chậm, tăng cường khả năng tiếp xúc giữa màng vi sinh với nước thải , do đó tăng cường khả năng khuyếch tán và hấp phụ cơ chất vào màng, kết quả là nước thải được làm sạch hơn. Nhìn trên đồ thị ta thấy rõ sự ổn định hiệu suất xử lý khi tăng nồng độ từ 600 lên 1500 mg/l ứng với HRT = 24 giờ. Hiệu quả xử lý COD cao đồng thời với pH đầu ra tăng 0.2-0.4 đơn vị. pH tăng do quá trình vi sinh vật sử dụng cơ chất để tổng hợp tế bào, lấy đi H+ trong nước và do quá trình giải phóng độ kiềm bicarbonate. Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 64 0 400 800 1200 1600 2000 0 1 2 3 4 5 6 C O D (m g/ l) 0 10 20 30 40 50 60 70 H iệ u qu ả xử lý (% ) COD vào COD ra Hiệu quả xử lý 6.0 6.3 6.6 6.9 7.2 7.5 7.8 8.1 8.4 0 1 2 3 4 5 6 pH pH vào pH ra b. Thời gian lưu nước HRT = 12 giờ Đồ thị 4.17: Sự biến đổi COD ứng với thời gian lưu nước 12 giờ Đồ thị 4.18: Sự biến đổi pH ứng với thời gian lưu nước 12 giờ Nhận xét: Với thời gian lưu nước HRT = 12 giờ, hiệu quả xử lý COD ở nồng độ 1500 mg/l tương đối cao, 55-60% nhưng thấp hơn so với ở thời gian lưu nước 24 giờ (hiệu quả xử lý đạt 66-70%). Tương tự như trên, pH đầu ra tăng 0.2 – 0.3 đơn vị. Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 65 0 300 600 900 1200 1500 1800 0 1 2 3 4 5 6 C O D (m g/ l) 0 10 20 30 40 50 60 H iệ u qu ả xử lý (% ) COD vào COD ra Hiệu quả xử lý 6.0 6.3 6.6 6.9 7.2 7.5 7.8 8.1 0 1 2 3 4 5 6 pH pH vào pH ra c. Thời gian lưu nước HRT = 8 giờ Đồ thị 4.19: Sự biến đổi COD ứng với thời gian lưu nước 8 giờ Đồ thị 4.20: Sự biến đổi pH ứng với thời gian lưu nước 8 giờ Nhận xét: Hiệu quả xử lý COD giảm còn 50-53% và pH đầu ra tăng 0.2-0.4 đơn vị Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 66 6.0 6.3 6.6 6.9 7.2 7.5 7.8 8.1 0 2 4 6 8 pH pH vào pH ra 0 300 600 900 1200 1500 1800 0 1 2 3 4 5 6 7 C O D (m g/ l) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 H iệ u qu ả xử lý (% ) COD vào COD ra Hiệu quả xử lý d. Thời gian lưu nước HRT = 4 giờ Đồ thị 4.21: Sự biến đổi COD ứng với thời gian lưu nước 4 giờ Đồ thị 4.22: Sự biến đổi pH ứng với thời gian lưu nước 4 giờ Nhận xét: Ứng với thời gian lưu nước HRT = 4 giờ, hiệu quả xử lý COD giảm đáng kể, ở nồng độ COD = 1500 mg/l, hiệu suất xử lý chỉ còn 25-35%. Điều này có thể giải thích: ở thời gian lưu thấp, vận tốc nước đi qua màng lớn, thời gian tiếp xúc giữa màng vi sinh và Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 67 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 HRT (giờ) H iệ u qu ả xử lý (% ) 0 4 8 12 24 24 24 24 cơ chất giảm, do đó khả năng khuyếch tán và hấp phụ cơ chất cũng giảm làm cho hiệu quả xử lý COD thấp xuống. Hiệu quả xử lý COD giảm đồng thời pH đầu ra cũng giảm. Chứng tỏ các acid hữu cơ được tạo thành trong quá trình lên men và acid hoá chưa được chuyển hoá hoàn toàn thành CH4 và CO2. Có thể giải thích cho điều này: do vi khuẩn methane hoá có tốc độ phát triển chậm hơn vi khuẩn acid hoá nên với thời gian lưu nước quá ngắn thì không đủ cho hoạt động chuyển hoá acid của vi khuẩn methane hoá. Đồ thị 4.23: Tổng hợp hiệu quả xử lý COD theo thời gian lưu nước Nhìn chung, thời gian lưu nước càng dài, hiệu quả xử lý COD càng cao. Ở thời gian lưu nước 24 giờ, hiệu quả xử lý COD cao hơn các thời gian lưu 12 giờ, 8 giờ và 4 giờ. Hiệu quả xử lý COD ở thời gian lưu 24 giờ đạt khoảng 70% và khá ổn định khi tăng COD từ 600 mg/l dần đến 1500 mg/l. Hiệu quả xử lý giảm dần ứng với việc giảm thời gian lưu nước (tức tăng tải trọng chất hữu cơ). Ở thời gian lưu nước 4 giờ, hiệu quả khử COD rất thấp, chỉ còn khoảng 20-30%. Từ kết quả thí nghiệm trên mô hình động, kết hợp với kết quả thu được trên mô hình tĩnh (khi theo dõi hiệu quả xử lý sau 1 ngày lưu nước và 2 ngày lưu nước), ta có thể chọn thời gian lưu nước để xử lý nước thải chăn nuôi sau quá trình biogas cho trại Xuân Thọ III là 1 ngày. Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 68 50 55 60 65 70 75 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 kgCOD/m3.ngày H iệ u qu ả xử lý (% ) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 kgCOD/m3.ngày H iệ u qu ả xử lý (% ) Đồ thị 4.24: Tổng hợp hiệu quả xử lý COD theo tải trọng Đồ thị 4.25: Hiệu quả xử lý COD theo tải trọng ứng với thời gian lưu nước HRT = 24 giờ Theo đồ thị, tải trọng tối ưu của mô hình ứng với thời gian lưu nước 24 giờ là 1-1.2 kg COD/m3.ngày, khi đó hiệu quả xử lý đạt 71-72%. Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 69 4.5.3 Xác định thông số động học và so sánh kết quả thực nghiệm với kết quả tính toán từ phương trình động học 4.5.3.1 Xác định thông số động học Để xác định bậc phản ứng n, ta tiến hành đo nồng độ cơ chất theo thời gian để có S0 , S(t1) , S(t2). Trong đó phải thoã điều kiện vi sinh vật ở thời điểm t1, t2 đang nằm trong pha log, để phù hợp với điểu kiện của phương trình là S >> E. Lập tỉ lệ: 2 1 kt kt = [ ][ ]nn nn XS XS −− −− −− −− 1 2 1 0 1 1 1 0 )1(1 )1(1 ⇔ 2 1 t t = [ ][ ]n n X X − − −− −− 1 2 1 1 )1(1 )1(1 Có t1, t2 và X1, X2 ta suy ra được bậc phản ứng n. Từ đó tính được k bằng công thức: k = [ ] tnm XVS nn )1( )1(1 110 − −− −− Từ kết quả theo dõi hiệu quả xử lý của mô hình tĩnh theo thời gian ở nồng độ thực COD = 1500 mg/l, chọn X1 = 30%, X2 = 50% vì ứng với 2 độ chuyển hóa này, vi sinh vật đang nằm trong pha log. Từ đó ta lập được bảng sau: n ….. 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 ….. 2 1 t t ….. 0.489 0.480 0.471 0.463 0.454 0.446 0.437 0.429 ….. Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 70 Biễu diễn quan hệ này trên đồ thị ta được: y = -0.086x + 0.6005 R2 = 1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 n t1/ t 2 Đồ thị 4.26: Quan hệ giữa t1/t2 và n Quan hệ giữa t1/t2 và n có dạng : t1/t2 = - 0.086n + 0.6005 với độ lệch R2 = 1.Kết quả này đáng tin cậy và có thể dùng phương trình trên để suy ra bậc phản ứng n khi đã có t1 và t2. Nồng độ COD = 1500 mg/l Từ đồ kết quả theo dõi hiệu quả xử lý theo thời gian tại nồng độ COD = 1500 mg/l, ta có: S0 = 1533 mg/l Ứng với X1 = 30%, X2 = 50%, suy ra t1 = 3.17giờ , t2 = 7.28gi 2 1 t t = 28.7 17.3 = 0.435 Từ phương trình t1/t2 = - 0.086n + 0.6005, suy ra n = 1.92 k = [ ] 1 1 1 1 0 )1( )1(1 tnm XVS nn − −− −− =0.00219 (mg/l)-0.92.l/kg.giờ Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 71 4.5.3.2 So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả tính toán từ phương trình động học Phương trình động học biễu diễn nồng độ cơ chất theo thời gian S = S 0 1 1 1 0 )1( − − ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +− nn V VnmktS Với n = 1.92 và k = 0.00219 (mg/l)-0.92.l/kg.giờ, ta được: S = S 0 192.1 1 192.1 0 )192.1(00219.0 − − ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +− V VmtS Ở tải thực COD = 1533 mg/l (S0 = 1533mg/l) và các thông số của mô hình thí nghiệm: 9 Khối lượng xơ dừa m = 1kg 9 V chứa nước V = 14 lit ,phương trình động học biễu diễn nồng độ cơ chất theo thời gian có dạng S = 1533 192.1 1 192.1 0 14 14)192.1(*1*00219.0 −− ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +−tS Bảng 4.7: So sánh kết quả thực nghiệm và kết quả tính toán từ phương trình động học Giờ Kết quả thực nghiệm Kết quả tính toán từ phương trình động học 0 1533 1533 2 1220 1186 4 992 963 6 824 809 8 757 696 10 642 610 12 593 542 Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 72 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0 2 4 6 8 10 12 14 Giờ C O D (m g/ l) Kết quả thực nghiệm Kết quả tính từ phương trình động học Đồ thị 4.27: So sánh kết quả thực nghiệm và kết quả tính toán từ phương trình động học ộ lệch chuẩn σ = 1 )( 2 − −∑ n SS tttn rong đó: Stn: Nồng độ COD đo được từ thực nghiệm Stt: Nồng độ COD tính toán từ phương trình động học n: số điểm khảo sát , ở đây n = 7 Thay các thông số vào công thức, ta tìm được σ = 39.7 mg/l Nhìn trên đồ thị, kết hợp với kết quả độ lệch chuẩn σ khá nhỏ so với nồng độ COD , ta thấy phương trình động học xác định được là đáng tin cậy. Chương 5 Kết luận và kiến nghị 73 5.1 Kết luận 5.1.1 Một số kết quả thu được sau khi khảo sát thực tế hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi heo của trại 9 Hiệu quả loại bỏ COD và cặn lơ lửng trong bể biogas khá cao: loại được 59% COD và 79% cặn lơ lửng 9 Nước thải sau biogas có COD từ 2561-5028 mg/l, dễ phân huỷ sinh học (BOD/COD ≈ 0.65-0.7), hàm lượng cặn lơ lửng còn cao (1664-3268 mg/l), đồng thời N-NH3 cũng cao (304-471 mg/l) 9 Ao kị khí sơ dừa hoạt động chưa đạt hiệu quả vì lượng xơ dừa quá ít 9 Ao hiếu khí lục bình: lục bình đã chết vì nồng độ ô nhiễm đầu vào vượt quá khả năng chịu đựng của lục bình, tảo phát triển mạnh làm nước trong ao có màu xanh (do hàm lượng N, P cao). 9 Chất lượng nước đầu ra không đạt tiêu chuẩn thải loại B, TCVN 5945-1995, đặc biệt hàm lượng N-NH3 rất cao300-400 mg/l. 9 Trại đang tiến hành bỏ xơ dừa vào 3 ao khác để dẫn nước thải từ ao xơ dừa có sẵn lần lượt qua 3 ao này rồi ra ao hiếu khí. 5.1.2 Kết quả thu được sau quá trình chạy mô hình 9 Xác định được thời gian lưu nước 1 ngày là thích hợp 9 Hiệu quả xử lý COD tương đối cao khoảng 70% sau thời gian lưu nước 1 ngày. Ứng với nồng độ COD đầu vào khoảng 1500 mg/l thì đầu ra còn khoảng 450 mg/l 9 Hiệu quả xử lý N-NH3 không đáng kể 9 Xác định được thông số động học của quá trình 5.2 Hướng phát triển luận văn 9 Khảo sát ảnh hưởng của sự tích lũy cặn trong quá trình xử lý. 9 Khảo sát ảnh hưởng của N-NH3 đến hiệu quả xử lý của quá trình. Chương 5 Kết luận và kiến nghị 74 9 Khảo sát hiệu quả xử lý theo chiều cao lớp lọc. 9 So sánh hiệu quả xử lý ứng với các cách bố trí xơ dừa khác nhau. 9 So sánh hiệu quả xử lý khi sử dụng xơ dừa với các loại vật liệu lọc khác. 5.3 Kiến nghị Đối với hệ thống hiện tại có 1 số kiến nghị sau: 9 Lấy cặn định kì trong bể biogas để giảm bớt hàm lượng cặn trước khi vào ao kị khí xơ dừa. Nếu hàm lượng cặn đầu ra vẫn còn lớn thì cần có thêm ao lắng trước khi vào ao kị khí xơ dừa. Đồng thời bổ sung thêm xơ dừa vào ao để tăng hiệu quả xử lý. 9 Xây dựng thêm ao tuỳ nghi trước khi nước thải được dẫn sang ao hiếu khí 9 Nếu trại dẫn nước thải sau ao xơ dừa có sẵn vào hệ thống lọc kị khí xơ dừa 3 bậc phía sau, thì có thể xem ao xơ dừa có sẵn vừa lọc vừa đóng vai trò như 1 ao lắng nhằm giảm bớt COD và giữ lại cặn trước khi vào hệ thống lọc kị khí 3 bậc. Nước ra có thể dẫn sang ao tuỳ nghi rồi qua ao hiếu khí. 9 Nuôi lại lục bình ở ao hiếu khí kết hợp với nuôi cá và nuôi các loài tảo có khả năng loại bỏ N-NH3 cao. Kết quả chạy mô hình cho thấy nước thải đầu ra sau quá trình lọc kị khí COD còn khoảng 400-500 mg/l, có thể đạt tiêu chuẩn loại B nếu được xử lý nâng cấp với 1 dãy ao hồ sinh học hoặc cánh đồng tưới. Do đó cần nghiên cứu xử lý nâng cấp bằng hệ thống ao hồ sinh học kết hợp nuôi cá, thả bèo hoặc cánh đồng tưới.